1、附录 A 高瓦斯矿发火区封闭时瓦斯爆炸危险性预测发生矿井火灾后，为了确保安全，首先采取的步骤通常是封闭发火区，但是对高瓦斯矿，一旦封闭发火区，瓦斯容易在封闭的火区内聚集，可能引发瓦斯爆炸事故。多数矿在封闭发火区时，仅仅凭经验判断封闭后是否有爆炸危险。由于经验判断主观因素很大，有可能因为判断失误导致火势蔓延而影响生产，或发生工作面封闭后瓦斯爆炸伤人事故。目前已有多起工作面封闭时发生瓦斯爆炸的报道。因此，如何评价高瓦斯矿火区封闭后发生瓦斯爆炸的危险性及如何封闭具有爆炸危险性的发火区，对保证矿井安全意义重大。1高瓦斯矿火区封闭后瓦斯爆炸原因分析封闭后火区发生的瓦斯爆炸为化学爆炸，是以CH4为主的瓦斯
2、与空气的混合气体点燃后发生剧烈化学反应的结果。引起瓦斯爆炸的原因有： 存在CH4与氧浓度在爆炸浓度范围内的爆炸危险区； 在爆炸危险区内存在火源点。火区封闭后，封闭区氧浓度和温度有降低趋势，瓦斯浓度则逐渐上升。如果瓦斯浓度升至爆炸范围时，发火区温度仍很高(存在高温性火源)，且氧浓度尚未降到瓦斯爆炸极限浓度以下，就可能发生瓦斯爆炸。瓦斯爆炸是自由基链反应过程。它包括链引发、链传递、链分支和链终止等过程。如果混合气体各成分达到爆炸浓度范围，并且存在火源点，链反应过程就会被引发，链传递和链分支反应随之很快发生，反应速度急剧增加，反应放出的热量使气体温度迅速升高，体积剧烈膨胀，从而引起爆炸。2引起爆炸各
3、要素变化的数学模型由于引起瓦斯爆炸的因素有火源点、瓦斯浓度和氧浓度，所以本文从这三个方面分析瓦斯爆炸。在建模过程中，假定火区封闭严密无透气现象，由于瓦斯中甲烷是主要成分(通常占99%以上)，因此，认为瓦斯浓度就是甲烷浓度。2.1火源点发火区内的高温煤体就是高温性火源。只要煤温不下降到引起瓦斯爆炸的最低温度以下，发火区内火源点始终存在。根据煤矿现场实测数据，火区封闭后如果不采取任何降温措施，高温点煤温自然下降速度是非常缓慢的。一般煤温在70180之间时，氧浓度高于10%即可维持煤温不下降1，而氧浓度低于9.47%以后就不会发生瓦斯爆炸。火区封闭后，如果氧浓度仍在瓦斯爆炸要求的浓度之上，发火区内仍
4、存在火源点。所以封闭发火区后，是否发生爆炸取决于混合气体中瓦斯和氧气浓度。2.2封闭区内氧浓度与时间变化关系火区封闭后，由于煤与氧发生氧化反应使氧气被消耗，封闭区氧浓度逐渐降低。煤与氧发生的化学反应是复杂的多级反应，但在特定温度阶段，只有一种简单反应起主导作用。由于氧浓度大于瓦斯爆炸极限氧浓度时，煤温不会大辐度降低，故假定火区封闭后煤温不变。为便于计算，假设火区封闭后，火区内煤氧化反应为简单的气固体相反应。根据化学反应动力学原理，反应速度与氧浓度成正比，即dO2/dt=-kO2式中k为化学反应常数；t为封闭时间；O2为t时刻的氧浓度。O2=O2-kt(1)式中O20为发火区封闭前氧浓度。上式反
5、映了火区完全封闭后，氧浓度与时间的关系。只要在不同时间测几组氧浓度数据，即可利用氧浓度随时间变化关系式(1)拟合出实际条件下氧浓度随时间变化曲线方程，从而可求出火区封闭后任一时刻氧浓度。2.3瓦斯浓度与工作面封闭的时间关系瓦斯涌出量(QB)包括工作面或巷道煤壁后卸压带内煤中残余瓦斯涌出量(QB1)，及采落残煤(即浮煤)瓦斯涌出量(QB2)两部分。即：QB=QB1+QB2如果向封闭区涌出瓦斯的卸压带内有煤W1m3，有向封闭区释放瓦斯的浮煤W2m3，单位体积卸压带内煤体在封闭后时间为t内的瓦斯涌出量为qB1，向封闭区涌出瓦斯的单位体积浮煤在封闭后时间t内瓦斯涌出量为qB2则：QB=W1qB1+W2
6、qB2.假设温度和压力不发生变化，则：qB1=x0(1-e-bt)qB2=x01-(1+t)-n(2)式中x0表示封闭时卸压带内平均每吨煤瓦斯含量；x0表示含一定量瓦斯的浮煤的平均瓦斯吨含量；b为与地应力及煤渗透性有关的参数；n是与煤破碎程度有关的系数；v为封闭区体积；CH4表示甲烷(即瓦斯)浓度。根据煤矿实际情况算出公式(2)中的参数，即可算出封闭后的任何时刻封闭区瓦斯涌出量，从而算出封闭区内瓦斯浓度。2.4爆炸危险性分析根据氧气及瓦斯浓度随封闭时间变化关系式(1)和(2)，封闭区瓦斯浓度随时间延长而增加，但增加速度不断减慢；氧浓度随封闭时间延长而降低，但浓度下降率不断减小，最后氧浓度趋于一
7、恒定值。当两种气体浓度同时达到各自可爆极限浓度范围内时，就可能发生爆炸。发生瓦斯爆炸的氧与瓦斯临界浓度是相关的，混合气体成分不同爆炸临界浓度也不同。一般认为瓦斯浓度介于5%15%之间时会发生爆炸。如向瓦斯与空气的混合气体中混入超惰气N2，则最低可爆氧浓度为9.47%，如混入CO2则最低可爆氧浓度为12.32%。为保证安全，在爆炸危险期预测时，取可爆氧浓度下限为9%，上限接近空气中氧浓度，不予考虑。封闭区气体浓度与时间关系如图1所示，瓦斯可爆上、下限浓度对应的火区封闭时间为t1和t3。封闭时间为t，当t1tt3时，瓦斯浓度在可爆浓度范围内。可爆下限氧浓度对应的火区封闭时间为t2，当tt2时，氧气
8、浓度满足可爆条件。所以可能发生瓦斯爆炸的时间为(t1tt3tt2。如果两者交集为空，则不会发生瓦斯爆炸，否则可能发生瓦斯爆炸。如果t2t3，则可能发生爆炸时间为t1tt2，如果t2t3则可能发生爆炸时间为t1tt3。 图1O2及瓦斯浓度随火区封闭时间变化理论曲线3实例分析1996年10月，阳泉矿务局五矿(高瓦斯矿)8101工作面自然发火，并最终燃起明火。为保证安全，需要封闭工作面。由于工作面进风、回风侧比较低，决定在撤离人员后对工作面两端用水封闭。8101工作面于1996年11月1日完全封闭。封闭工作面时留有气体观测孔，随时监测火区气体变化。工作面封闭后约10 h后，听到有轻微的爆炸声，但是由
9、于水的隔爆，没有造成损失。封闭区气体浓度变化见图2，采用氧浓度随时间变化理论模型，对实测数据进行回归，得到氧浓度随时间变化的拟合曲线。由于瓦斯浓度与时间关系理论方程比较复杂，所以用多项式近似表示。氧浓度及CH4浓度与时间关系回归方程分别为O2=20.09e-0.032 6tCH4=-210-8x6+410-5x5-210-4x4+7.610-3x3-0.125x2+1.121x+0.5根据上述方程所做的曲线与实测氧浓度吻合较好，基本反映了氧浓度的变化规律。利用上述方程可求出当氧浓度等于其极限浓度时对应的时间t2和当CH4浓度等于其极限浓度时对应的时间t1，t3。由图2可知，封闭时间介于924
10、h之内，有爆炸危险性。上述预测为实际爆炸所证实。说明了预测模型的正确性。 图28101工作面甲烷及氧浓度与封闭时间关系曲线4可能爆炸的发火区封闭时所采取的措施如果理论分析认为发火区封闭后存在爆炸危险性，但又必须对火区实行封闭处理，封闭前就必须对发火区进行必要的防爆处理。要安全封闭火区，第一是防止爆炸发生，第二是一旦发生爆炸，应能够有效地消除爆炸冲击波，及爆炸引起的火灾，保证矿井安全。从这两个角度出发，以下几种措施可供选择：1) 采取瓦斯排放措施，防止封闭区瓦斯聚集。一般高瓦斯矿工作面都有瓦斯抽放系统，工作面因火被迫封闭后，应继续对工作面进行瓦斯抽放，直至确认封闭区不再有爆炸危险性。以防封后瓦斯
11、浓度聚集而发生爆炸。2) 采取从地面注惰气、注氮等方法降低封闭区氧浓度。封闭时，发火区温度、CO浓度都很高，所以不能在火区附近工作。此时可以从地面向火区注氮，降低火源点附近氧浓度和煤温，保证工作面安全。3) 消灭火源高温点。采取向发火区注凝胶等方法，使高温点温度降低到可引起瓦斯爆炸的下限温度以下。4) 用水封闭火区，如果发火区两端比较低，可以在撤离人员的情况下，向发火区所在巷道两端送水，直止用水封闭火区。火区用水封闭，能够保证密闭无漏风，而且一旦封闭区内发生爆炸，两端的水密封能有效地消除爆炸引起的冲击波，防止爆炸引起的大火蔓延。附录 B When High Gas Ore Ignition A
12、rea SealGas Explosion Risk ForecastAfter has the mine fire， in order to guarantee the security， first adopts the step usually seals up the ignition area， but to high gas ore， once the seal ignition area， the gas easily gathers in the seal fire area， possibly initiates the gas explosion accident. The
13、 most ores in the seal ignition zone time， merely judge the seal after theexperience whether has the explosion hazard. Because experiences judges the subjective factor to be very big， has the possibility because the judgement fault causes the fire intensity spread to affect the production， after or
14、has the working surface seal the gas explosion to offend somebody the accident. At present had are many when the working surface seal has the gas explosion report. Therefore， after how appraises the high gas ore fire area seal to have the gas explosion risk and how to seal up has the explosion hazar
15、d ignition area， to guarantees mine pit security watershed. 1 High gas ore fire area seal the gas explosion reason analysisSeal the fire area occurs the gas explosion explodes for chemistry， is lights after the CH4 primarily gas and the air gaseous mixture has the fierce chemical reaction result. Ca
16、uses the gas explosion reason to include: (1) Has CH4 and the oxygen concentration in explosion ratio scope detonation warning area; (2) Is exploding the warning area memory in the fire source. After the fire area seal， the seal area oxygen concentration and the temperature have reduces the tendency， the gas dens
